基于OCC双曝光时长相机接收模式与距离感知的车辆间通信实现方法转让专利
申请号 : CN202110028783.4
文献号 : CN112887031B
文献日 : 2021-12-10
发明人 : 石文孝 , 刘安琪 , 邵馨蕊 , 刘维 , 孙宇峰 , 王强
申请人 : 吉林大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于OCC双曝光时长相机接收模式与距离感知的车辆间通信实现方法，其特征在于该方法如下：
步骤一、发送端采集待传输的信息，并按照短、中、长三种发送距离类别将信息分类形成三路码流α,β,γ：其中，α表示传输给短距离车辆码流，β表示传输给中距离车辆码流，γ表示传输给长距离车辆码流；
步骤二、对三路码流α,β,γ采用空间分级编码方式进行编码，形成待传输信息帧中的数据帧；数据帧包括发送给短距离车辆的码流α，发送给中距离车辆的码流β和发送给长距离车辆的码流γ；信息帧中还包括多帧同步帧；
步骤三、将数据帧中的码与发送端N×M LED阵列中的LED相对应，完成码的映射；在发送一帧数据帧时：使用1×1大小的LED阵列块传输发送给短距离车辆码流α中的单比特信息，则发送端N×M的LED阵列可承载N×M比特的短距离码；使用n×m大小的LED阵列块传输发送给中距离车辆码流β中的单比特信息，且有(N×M)/(n×m)＝K，K为大于1小于N×M的整数，n×m为传输发送给中距离车辆码流β单比特信息时使用的LED阵列块大小，则发送端N×M LED阵列可承载K比特的中距离码；使用N×M大小的LED阵列块传输发送给长距离车辆码流γ中的单比特信息，则发送端N×M的LED阵列可承载1比特的长距离码；发送一帧同步帧时：使用N×M大小的LED阵列块传输同步帧中的单比特信息；
步骤四、发送端N×M LED阵列中各LED经PWM调制将承载的对应数据帧与同步帧中的码元以光的形式发送出去；每帧数据帧和同步帧发送的时间长度均为t3；LED阵列以时隙t1传输发送给短距离车辆的码流α与发送给中距离车辆的码流β；以时隙t3‑t1传输发送给长距离车辆的码流γ；接收端相机的两种曝光时长与发送时隙时长相匹配：相机长曝光模式下的曝光时间为t2，短曝光模式下的曝光时间为t1，且满足t3>t2>>t1；
步骤五、接收端以长曝光模式或短曝光模式通过接收多帧同步帧实现与发送端信息的同步，并由同步帧估计解调后续数据帧时使用的灰度阈值；
步骤六、接收端依据接收的同步帧判断与发送端所属距离范围，并由此确定接收后续数据帧时使用的相机模式；设接收端相机拍摄到LED阵列在成像面上所占像素的个数为C1，当C1的值大于短距离判断阈值Cs时，判断当前接收端与发送端为短距离；当C1的值介于中距离判断阈值Cm与短距离判断阈值Cs之间时，判断当前接收端与发送端为中距离；当C1的值小于中距离判断阈值Cm时，判断当前接收端与发送端为长距离；当判定与发送端属于长距离范围时，相机以长曝光模式接收该组同步帧后面的数据帧信息；当判定与发送端属于中、短距离范围时，相机以短曝光模式接收该组同步帧后面的数据帧信息；其中，A为LED阵列中单个LED实际面积大小，f为接收端相机镜头焦距，μ×μ为接收端相机图像传感器的像素元尺寸，d1与d2为短、中距离下的距离边界值，且满足r1为LED阵列中单个LED的半径；
步骤七、基于步骤六对收‑发距离的判断与接收端相机的模式选择，完成对数据帧信息的解调；
所述的步骤四中，对一帧数据帧码元的发送方式为：发送端N×M LED阵列在时隙t1中以四阶PWM波的形式将传输给短距离车辆的N×M比特短距离码与传输给中距离车辆的K比特中距离码发送出去，在时隙t3‑t1中将传输给长距离车辆的1比特长距离码以二阶PWM波的形式发送出去；其中四阶PWM波以四种不同占空比波形承载两比特传输给短、中距离车辆的短、中距离码：使用占空比为0的波形发送短、中距离码00；使用占空比为P1的波形发送短、中距离码10，0％＜P1＜50％；使用占空比为P2的波形发送短、中距离码01，50％＜P2＜
100％，且P2‑P1≥30％；使用占空比为100％的波形发送短、中距离码11；二阶PWM波以两种不同占空比波形承载一比特传输给长距离车辆的长距离码：使用占空比为0的波形表示长距离码0，使用占空比为100％的波形表示长距离码1；
所述的步骤四中，对同步帧码元的发送方式为：各LED以占空比为100％的PWM波发送前两帧同步帧中的比特信息1；以占空比为P1的PWM波发送第三帧中的比特信息1，0％＜P1＜
50％，以占空比为P2的PWM波发送最后一帧中的比特信息1，50％＜P2＜100％，且P2‑P1≥
30％。
2.根据权利要求1所述的基于OCC双曝光时长相机接收模式与距离感知的车辆间通信实现方法，其特征在于所述的步骤二中，每帧信息帧包括5帧同步帧与100帧数据帧，5帧同步帧对应的码元为5位巴克码11101。
3.根据权利要求1所述的基于OCC双曝光时长相机接收模式与距离感知的车辆间通信实现方法，其特征在于所述的步骤五中，接收端由接收到的同步帧估计解调后续数据帧时使用的灰度阈值为T1/2，T2/2及T3/2，估计灰度阈值的方法如下：对前两帧同步帧中LED阵列所在区域所有像素点的灰度值求和取平均得T1，以T1/2作为判断占空比为100％PWM波对应码元的灰度阈值；
对第三帧同步帧中LED阵列所在区域所有像素点的灰度值求和取平均得T2，以T2/2作为判断占空比为P1的PWM波对应码元的灰度阈值；
对最后一帧同步帧中LED阵列所在区域所有像素点的灰度值求和取平均得T3，以T3/2作为判断占空比为P2的PWM波对应码元的灰度阈值。
4.根据权利要求3所述的基于OCC双曝光时长相机接收模式与距离感知的车辆间通信实现方法，其特征在于所述的步骤七中，基于不同收‑发距离与相机的接收模式，对数据帧信息解调方法如下：
当判断与发送端为长距离时：接收端以成像面上LED阵列所在位置为一整个解码区域，计算N×M个LED所在区域像素点的平均灰度值Tb，以T1/2为阈值进行解码：当Tb>T1/2时，判断发送端发送的长距离码为1；当Tb
当判断与发送端为中距离时：接收端将成像面上LED阵列所在位置平均划分为K个解码区域，计算各解码区域中n×m个LED所在像素点的平均灰度值Tm，以T3/2为阈值进行解码；当Tm>T3/2时，判断发送端发送的中距离码为1；当Tm
当判断与发送端为短距离时：接收端将成像面上LED阵列所在位置平均划分为N×M个解码区域，计算各解码区域下包含的单个LED灰度值Ts，以T1/2，T2/2，T3/2为阈值进行解码：当Ts>T1/2或T2/2
说明书 :
基于OCC双曝光时长相机接收模式与距离感知的车辆间通信
实现方法
技术领域
背景技术
的通信技术。OCC技术以光作为载体，可以在网络质量较差的情况下，实现车联网中信息的
可靠传输。同时，OCC技术以相机作为接收端，具有天然的分集接收优势，可在无需改变基础
设施的情况下实现MIMO，因而将OCC技术应用于车联网中，可以为车辆的安全驾驶提供可靠
的技术保障。
发模式会极大限制车辆间通信的传输距离与通信质量。因而，在OCC车辆通信系统中，研究
一种基于距离感知的自适应改变发送与接收模式的实现方法对于提高通信质量，扩大通信
距离很有必要。
发明内容
车辆间通信实现方法。
流，γ表示传输给长距离车辆码流；
给长距离车辆的码流γ；信息帧中还包括多帧同步帧；
信息，则发送端N×M的LED阵列可承载N×M比特的短距离码；使用n×m大小的LED阵列块传
输发送给中距离车辆码流β中的单比特信息，且有(N×M)/(n×m)＝K，K为大于1小于N×M的
整数，则发送端N×M LED阵列可承载K比特的中距离码；使用N×M大小的LED阵列块传输发
送给长距离车辆码流γ中的单比特信息，则发送端N×M的LED阵列可承载1比特的长距离
码；发送一帧同步帧时：使用N×M大小的LED阵列块传输同步帧中的单比特信息；
t1传输发送给短距离车辆的码流α与发送给中距离车辆的码流β；以时隙t3‑t1传输发送给长
距离车辆的码流γ；接收端相机的两种曝光时长与发送时隙时长相匹配：相机长曝光模式
下的曝光时间为t2，短曝光模式下的曝光时间为t1，且满足t3>t2>>t1；
为C1，当C1的值大于短距离判断阈值Cs时，判断当前接收端与发送端为短距离；当C1的值介
于中距离判断阈值Cm与短距离判断阈值Cs之间时，判断当前接收端与发送端为中距离；当C1
的值小于中距离判断阈值Cm时，判断当前接收端与发送端为长距离；当判定与发送端属于
长距离范围时，相机以长曝光模式接收该组同步帧后面的数据帧信息；当判定与发送端属
于中、短距离范围时，相机以短曝光模式接收该组同步帧后面的数据帧信息；其中，
A为LED阵列中单个LED实际面积大小，f为接收端相机镜头焦距，μ
×μ为接收端相机图像传感器的像素元尺寸，d1与d2为短、中距离下的距离边界值，且满足
n与m为传输发送给中距离车辆码流β单比特信息时使用的
LED阵列块大小，r1为LED阵列中单个LED的半径；
K比特中距离码发送出去，在时隙t3‑t1中将传输给长距离车辆的1比特长距离码以二阶PWM
波的形式发送出去。其中四阶PWM波以四种不同占空比波形承载两比特传输给短、中距离车
辆的短、中距离码：使用占空比为0的波形发送短、中距离码00；使用占空比为P1的波形发送
短、中距离码10，0％＜P1＜50％；使用占空比为P2的波形发送短、中距离码01，50％＜P2＜
100％，且P2‑P1≥30％；使用占空比为100％的波形发送短、中距离码11；二阶PWM波以两种不
同占空比波形承载一比特传输给长距离车辆的长距离码：使用占空比为0的波形表示长距
离码0，使用占空比为100％的波形表示长距离码1。
＜50％，以占空比为P2的PWM波发送最后一帧中的比特信息1，50％＜P2＜100％，且P2‑P1≥
30％。
时，判断发送端发送的长距离码为1；当Tb
码；当Tm>T3/2时，判断发送端发送的中距离码为1；当Tm
码：当Ts>T1/2或T2/2
从长曝光与短曝光双模式中自适应选择针对此距离类别的相机接收模式，完成该模式下对
发送端发送信息的解调解码过程，从而实现多距离下的车辆间通信。本发明提出的方法能
有效提高基于OCC系统的车辆间通信质量，扩大通信距离，提高系统吞吐量。同时，本发明在
发送端使用不同占空比的波形表示同步帧中的比特1，这种方法有利于解调时的灰度阈值
估计，同时也能提高同步检测的准确性及信息传输的有效性。
附图说明
具体实施方式
A将传输给车B、C、D的信息经尾部8×8LED阵列发送，车B、C、D通过对接收端相机拍摄到LED
阵列所占像素数目的分析，自主判断与车A所属的距离范围类别，并由此选择合适的相机接
收模式实现与车A的通信。本发明实现方法流程如图2所示。具体步骤如下：
流，γ表示传输给长距离车辆码流。发送端采集的信息包含发送端所在车辆的当前位置、车
速、转向以及刹车信息等，这些信息经整理在发送给不同距离车辆时包含的内容会有所不
同：传输给短距离车辆的信息会包含上述所有的行车细节，传输给中距离车辆的信息会忽
略刹车信息，传输给长距离车辆的信息可能只包含发送端所在的位置信息；
中，对发送端而言，一帧数据帧是由表示相关行车信息的比特码流组成；对接收端而言，相
机以一帧图片的形式接收来自发送端的一帧数据帧，且数据帧的信息以图片中LED的灰度
值记录，再经阈值判断后解码为原数据帧中的比特信息。信息帧的结构组成如图3所示，其
中，数据帧包含车辆间通信传输的具体信息；一帧同步帧包含五位巴克码中的一位比特信
息。且为方便接收端接收信息的及时性与灵活性，在每100帧数据帧前插入5帧同步帧，插入
的5帧同步帧也可以使得接收端在检测收‑发端状态是否同步的同时对下一组用于LED状态
检测的图像灰度阈值进行预设定。具体实施过程如下：
个64比特的数据信息，即α1,α2,…αn各包含64位短距离码；发送给中距离车辆的码流β经分
组后，每个小组包含一个4比特的数据信息，即β1,β2…βn各包含4位中距离码；发送给长距离
车辆的码流γ经分组后，每个小组包含一个1比特的数据信息，即γ1,γ2…γn各包含1位长
距离码。
的信息。设第n个数据帧为Dn，则Dn＝(αn,βn,γn)，且
即每帧数据帧中包括64比特的短距离码，4比特的中距离
码和1比特的长距离码；
码1101……分配给8×8LED阵列各LED，则第一行第一、第二、第三、第四列…的LED分得的比
特码元为1，1，0，1，在图中以状态亮、亮、暗、亮……表示；使用4×4大小的LED阵列块传输βn
中单比特信息，即发送端8×8的LED阵列一共可承载4比特中距离码。以图4b所示为例：将4
比特中距离码1101分配给8×8LED阵列各LED，则左上、右上、左下、右下四个4×4的LED阵列
中各LED分得的比特码元为1，1，0，1，在图中以4块4×4LED阵列全亮、全亮、全暗、全亮表示；
使用8×8大小的LED阵列块传输γn中单比特信息，发送端8×8LED阵列一共可承载1比特长
距离码。以图4c所示为例：将长距离码1分配给8×8LED阵列各LED，则8×8LED阵列的所有
LED均分配到比特1，在图中以8×8LED阵列的所有LED全亮表示。由于一帧数据帧中包含短，
中，长三种距离码，因而在发送一帧数据帧时8×8LED阵列需要承载69(69＝64+4+1)比特码
元，各LED均需要经过上面对一帧数据帧中三路码流的分配映射过程以实现对整个数据帧
中所有码元的传输。最终在传输一帧数据帧时，发射端每个LED需要承载3比特码(长，中，短
距离码各1比特)；对于同步帧中的数据，使用8×8大小的LED阵列块传输每帧中的1比特信
息，即传输一帧同步帧时每个LED分配到同步帧中的码元都相同且均承载1比特码。
时，第k个LED承载的信息为L[k]，则L[k]包含αn中第k个比特 βn中第 个比特 和γn
中的1个比特 (每帧数据帧中的长距离传输码流只有1个比特)，即
其中 表示向上取整。以图4a，4b，4c三种码流与发射端LED阵列各LED的映射为例，最终在
传输包含图4a，4b，4c三种码流的比特信息时，对8×8LED阵列第一列第一行的LED而言，承
载的3比特码元为111。在传输第n帧同步帧信息时，8×8阵列中每个LED均表示当前帧对应
的巴克码比特位；
间长度均为t3。相机的两种曝光时长与对数据帧的发送时隙时长相匹配：相机长曝光模式
下的曝光时间为t2，短曝光模式下的曝光时间为t1，且t3>t2>>t1。这种时隙时长的匹配方式
可以使得当相机以长曝光模式接收来自于发送端的数据帧信息时，图像中各LED的灰度值
主要由传输给长距离车辆的信息决定，而传输给中、短距离车辆的信息对LED灰度值的影响
可以忽略，从而保证对长距离码的正确解调；当相机以短曝光模式接收来自于发送端的数
据帧信息时，图像中各LED的灰度值只由传输给中，短距离车辆的信息决定，从而实现对中，
短距离码的正确解调。具体发送过程如下：
时隙t3‑t1中将承载的长距离码 以二阶PWM波的形式发送出去；使用PWM调制波形发送数
据码元的示意图如图5b所示，其中四阶PWM调制以四种不同占空比波形承载两位传输给短，
中距离车辆的短，中距离码：使用占空比为0的波形发送短，中距离码00(即
)，使用占空比为25％的波形发送短，中距离码10(即 )，使用占空比为75％
的波形发送短，中距离码01(即 )，使用占空比为100％的波形发送短，中距离
码11(即 )。二阶PWM调制以两种不同占空比波形承载一位长距离码：使用占
空比为0的波形表示长距离码0(即 )，使用占空比为100％的波形表示长距离码1(即
)。发送5帧同步帧时，由于五位巴克码的比特为11101，对应前两帧同步帧中的比特1
以占空比为100％的PWM波发送出去；第三帧中的比特1以占空比为25％的PWM波发送出去，
最后一帧中的比特1以占空比为75％的PWM波发送出去。以这种形式进行传输的目的是方便
接收端依此确定解调时所需的灰度阈值。
度阈值。具体步骤如下：
离边界值，再由距离边界值设定用于接收端进行距离感知的各范围下的距离判断阈值。具
体过程如下：
LED在距离d下的成像半径为r2，由小孔成像原理有：
离。设相机图像传感器的像素元尺寸为μ×μ，使用1×1LED阵列块传输短距离码流时的发送
端等效半径为r1，因而对应短距离边界值d1为 使用4×4LED阵列块传输中距离码
流时的发送端等效半径为4r1，因而对应中距离边界值d2为 d1与d2即为设定的距离
边界值：距离小于d1认为属于短距离范围，距离在d1与d2之间认为属于中距离范围，距离大
于d2认为属于长距离范围。
时，成像端LED阵列所占像素个数为Cd,Cd的表达式如下：
在收‑发距离为d2时，LED阵列在相机成像面上的成像大小为 Cs与Cm
即为以LED阵列在成像面所占像素大小个数为判断标准时对应的短距离判断阈值和中距离
判断阈值。
前与发送端距离为短距离；当C1的值介于中距离判断阈值Cm与短距离判断阈值Cs之间时，判
断接收端当前与发送端距离为中距离；当C1的值小于中距离判断阈值Cm时判断为与发送端
距离为长距离；
曝光时长接收该组同步帧后面的数据帧信息。
以步骤五计算得出的T1/2为灰度阈值进行解码：当Tb>T1/2时，判断发送端发送的长距离码
为1；当Tb
灰度值Tm，以步骤五中得出的T3/2为阈值进行解码：当Tm>T3/2时，判断发送端发送的中距离
码为1；当Tm
五中得出的T1/2，T2/2，T3/2为阈值进行解码：当Ts>T1/2或T2/2
限于包含64比特短距离码，4比特中距离码与1比特长距离码；另外，传输给中，短距离车辆
的二进制数据信息为10和01时，不限于使用占空比为25％和75％的波形发送，只要使用占
空比在0～50％以内、50％～100％之内，并且两者相差大于30％即可。同样，发送5帧同步帧
时，第三帧和第五帧中的比特1也不限于用占空比为25％和75％的PWM波发送出去，只要使
用占空比在0～50％以内、50％～100％之内，并且两者相差大于30％即可。同时发送端的同
步帧也不限于使用5位巴克码，也可以使用7位或其他位数的巴克码以实现系统的同步，对
应的，一帧信息帧的组成也不限于使用100帧数据帧与5帧同步帧，只要在保证系统可以依
据同步帧实现同步的情况下满足一定的数据传输效率要求即可。